理解固態(tài)器件中跨生物分子的電荷傳輸(CT)機制對于以可預測的方式實現(xiàn)生物分子電子器件是必不可少的。盡管人們普遍認為生物分子電極之間的相互作用起著至關(guān)重要的作用，但這一點經(jīng)常被忽視。本文揭示了石墨烯與鐵儲存蛋白的界面在穿過隧道結(jié)的網(wǎng)絡CT中的突出作用。這里，鐵蛋白(AfFtn-AA)通過拉曼光譜證實的非共價胺-石墨烯相互作用吸附在石墨烯上。與具有金屬電極的結(jié)相反，石墨烯具有朝向其本征費米能級(“狄拉克點”)消失的狀態(tài)密度，其遠離費米能級而增加。因此，電荷載流子的量對溫度和靜電充電(感應摻雜)高度敏感，這可以從作為溫度和鐵負載的函數(shù)的CT的詳細分析中推斷出來。值得注意的是，由于熱載流子的激發(fā)，溫度依賴性可以在相干隧穿機制內(nèi)得到充分解釋。石墨烯不僅被證明是跨生物分子隧道結(jié)研究CT的替代平臺，而且它還為利用界面靜電學調(diào)節(jié)CT行為提供了豐富的可能性。
圖1.Cu//graphene//AfFtnAA//GaO
x/EGaIn生物分子隧道結(jié)的示意圖，其中“//”表示范德華接觸，“/”表示GaOx和大塊共晶金屬合金之間的接觸。我們在這項研究中使用了單層石墨烯和BLG。左側(cè)顯示了使用PyMol的AfFtn-AA的分子表示。AfFtn-AA表面的靜電勢圖顯示在右側(cè)，其中顯示了帶負電(紅色)、帶正電(藍色)和帶中性電(白色)的氨基酸。AfFtn-AA上的負電荷(用紅色表示)由Cu//石墨烯電極中的正電荷(用藍色表示)補償。
圖2. (A)Cu//石墨烯的AFM圖像(比例顯示在右側(cè))，(B)Cu//石墨烯//(Fe3000)AfFtn-AA的單層，和(C)用于確定daff TN-AA的Cu//石墨烯//(Fe3000)AfFtn-AA的亞單層[(B，C)的比例顯示在(C)的右側(cè)]。(D)d
AfFtn-AA作為的分布是鐵離子負載的函數(shù)，鐵離子負載由原子力顯微鏡高度剖面數(shù)據(jù)確定。(E)Cu//石墨烯(紅色)和Cu//石墨烯//(Fe3000)AfFtn-AA表面(黑色)的拉曼光譜。
圖3.(A)< log | J | > Gvs V和(B)< log | J | > Gat 0.5V vs d
aff TN-AA的曲線圖,其中虛線表示符合等式3。對于具有不同鐵離子負載(C)和apo-AfFtn-AA (D)的代表性AfFtn-AA結(jié)，在V = 0.5V時J的Arrhenius圖，對于(2400Fe)AfFtn-AA (E)和(4800Fe)AfFtn-AA (F)，以0 V左右的G表示。(C，D)中的線符合等式1，而(E，F(xiàn))中的線符合等式2(紅色)或等式4(黑色虛線)，產(chǎn)生由圖中標簽指定的每個值。G(∼0 V)是電流密度相對于0.02V(5個數(shù)據(jù)點)之間電壓的斜率；符號是每個溫度下6個重復電壓回路的幾何平均值，誤差條代表logG(0V)的標準偏差。請注意，E和F的Y軸跨越了非常不同的范圍。
圖4. Fe負載對電導的影響，通過將G(0V，T)數(shù)據(jù)擬合到費米-狄拉克加寬模型(等式2)提取，顯示(A)飽和電導G0K與單層厚度的關(guān)系，雙指數(shù)衰減由黑線標記；活化能Ea；以及(C)指數(shù)前項G∞與顯示指數(shù)趨勢的相關(guān)性(虛線:lnG∞∝∞23 Ea)。誤差線是提取的擬合參數(shù)的95%置信水平；(B)中的虛線是視覺引導。(D)室溫電導是外加電壓的函數(shù)。顏色代碼標記所有面板上相同的Fe載荷。電導是電流對電壓的一階數(shù)值導數(shù)。請注意,( A C)指0電壓下的溫度效應，而圖(D)顯示恒定(室溫)溫度下的電壓效應。
圖5.BLG(藍灰色雙錐)和(A) apo-AfFtn-AA，(B)具有小氧化鐵的AfFtn-AA，和(C)大氧化鐵核之間的能量排列示意圖。頂部偏置觸點(紫色)顯示為無外部偏置。垂直方向表示電子的能量，水平方向通常表示垂直于結(jié)的距離，除了BLG雙錐表示其關(guān)于動量的能量分散。水平綠色箭頭表示相干隧穿，垂直紅色箭頭表示能壘(ε
0)，它因界面充電(用“+”和“-”符號表示)而變化，從而改變石墨烯的費米能級(EF)。石墨烯的錐形能量分散意味著E
f的微小變化轉(zhuǎn)化為可用載流子密度的指數(shù)變化。
圖6.(A)具有3000Fe AfFtn-AA的雙端GFET器件的示意圖；器件尺寸為4.5 × 3.1微米和(B)真空下的GFET電阻，R與背柵電壓的關(guān)系，以及具有(紅色)和不具有(黑色)AfFtn-AA吸附的GFET器件的VBG曲線。
相關(guān)科研成果由南洋理工大學Sierin Lim、魏茨曼科學研究所Ayelet Vilan和新加坡國立大學Christian A. Nijhuis等人于2022年發(fā)表在ACS Applied Materials & Interfaces（https://doi.org/10.1021/acsami.2c11263）上。原文：Temperature-Dependent Coherent Tunneling across Graphene–Ferritin Biomolecular Junctions。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
